（测试计量技术及仪器专业论文）蓄电池自动充电装置的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文蓄电池自 动充电装置的研究 ab s t r a c t a笋at-c 叩留 i t y a u t 0 m atic c h ar g i n g equl p m ent fo r stor a g e b atte ryc o n t r o l l edb y d s p w asin t r o d u c ed，incl u d i n g t h e rese arch o n c h a 堪e m e t h o d and cha rg e p o w ers u p p l y o b as ed on the i n v e st ig at i on o f m anyc b ar g em e th o ds，an e wc h ar g em e t h o d 一 th e undu1 a t i n gin t e m 1 i tt e n tc h ar g em etho dwith obv erse- r e v e r s e 一 z ero p u l s ew as b r o u ght 儿 俐盯 d 。for the d i s c h a r g edb a tt e ryh a d b e enre s t o r edtofu l l charge ，th e c h ar g e t i m e w as m u chre t r e n c h edb y this m etho d 。 伍。 u n don th e h fs p s担i gh， f r e q u enc ys w i t chi n g p owers upp l y)，th e c o n v erterw asd e s i gnedand th e e 伍c i enc y o f s ystem i s p ro m o t e d o aithe b e g i nni n g o f s o ft w aj 陷des i gnb y usi ng t h e to o l b oxo f s l r q u l i nk inmat l ab， a d o p t i ngf u z z y ， p idm etho dstos i r n u l at ing th e c o n t r 0 1 l in g syst em o f c h ar g in g s y s t em ， th en th e re su it o f s 咖 l atio n wil l b e us edind s p c ontrol l erand c h ang e th e p aramet ers o f kp、 kj、 kd inp idc o n t r o l l er， s o this w a y o f b a t t e ryc h ar g l n g c o u ldsun u l at e th e exc e l l ent c u r v e 明drea c haba t t ere ffe c to the s ystem coul d moni t o r and c o n 1 r 0 l cha r g e c u rr e n t ， c h a r g e vol t a g e and t e m p er al 卫 r e d u ri n g ch魂e p ro c e s s 。 t 五 e 一 vo f b a t t e ryd u ri n g th e anaph as e o f c h ar g e p r o c e s s w as a d o p t e d t oc o n t r o l c h a r g e t e n 刀 i nati on， th e naut o m aticc u rr e ni 一 t r a n s fo rmat i o nme th o di s ado p t e d t o inte l li g ent l y c h a r g e accum u l at o rs. the s o ft w a r e / h ar d w are i m p l eme n t a t l o n o f a d s p (t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ) b as e ds y s t ein c o ntro l l erth atp e r fo rms hi gh一 spe eddata- ac q u i s i t i叽 event m ana g elnent， c o n t r 0 1 al gori t h 叮阴d o u t p utc ontrol k e y w o r d s : l e ad一 a c i d b a t t e ry， s w i te h i n g p o w ers upp l y ( s p s ) ， p h as e c ontrol ， f uzzy-p i d ， p u l s e wid t h m o d u l a t i n g ( p wm ) ， d i g i t a l s i gna 1 p ro c e s s or ( d s p ) ， f a s t c h ar g l n g 声明 本学 位论文是我在导师的 指导 下取 得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学 位论文中， 除了 加以 标注和致谢的 部分外， 不包含其他人已经发 表或公 布过的 研究 成果， 也不包含我为获 得任何教育机构的 学位或学 历而使用过的 材料。 与我一同 工作的同事 对本学位论文做出的 贡献均 已 在论文中作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : 李定珍孙夕年 7 月乡 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅 或 上网公布本学位论文的 全部或部分内 容， 可以向 有关部门 或机构送 交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。 对 于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 二 一 支纽红伽。 7 年 7 月乡 日 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 1引言 i j概述 蓄电 池是广泛应用于交通运输、 通讯、电力、 铁路、 矿山、 港口 等国民经济各个 部门 的重要能源装置，是社会生产经营活动中不可缺少的产品。铅酸蓄电池是 t 8 59 年法国 人普兰特发明的， 是一种可循环再充电的化学电 源， 是目 前世界上所有二次电 池中 使 用最广泛、 技术最成熟的电 池， 约占电 池总 用量的90% 。因其成本价格低 廉、 具有良 好的可逆性、容量大、使用安全及无污染等优点，具有广阔的发展前景。 目 前市场上常见的各种二次电 池的主要性能比 较如表1 . 1 . 1 所示。 对于镍氢电 池、 理离子电 池等能量密度高的蓄电池， 对其充电的要求不是很严格， 而能量密度相对低 一点， 但价格便宜的铅酸蓄电池，充电要求则很严格。 表 l l . 1各种常用二次电池主要性能表 电池类型电压 (v) 能量质量 比( w b 业 9 ) 能量体积 比 ( wl 口 l ) 功率质量 比 ( w jk g ) 功率体积 比 ( w/l) 自 放电 ( %) 循环寿命 ( 次 镍氢电 池 l 2 6 02 2 01 3 04 7 53 0 3 0 0 6 0 0 铅酸电池 2 . 0 3 57 02 oo4 0 0月 5 2 5 0 5 0 0 锅镍电池1 . 24 0 6 06 0 1 0 01 4 0 2 2 0 2 2 0 3 6 01 0 2 0 3 0 0 7 (x) 锉离子电池 石1 1 52 6 02 0 0 2 5 04 0 0 5 0 0 5 1 0 5 0 0 1 0 0 0 蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题，其由多方面因素决 定， 其中 最重要的是蓄电池本身的物理性能。 除此之外，电 池的管理技术、 不合理的 充放电 模式是造成电 池寿命缩短的主要原因。 国内 外多 年来的实践证明: 免维护 铅酸 电池浮充电压偏差5 %，电池的浮充寿命将减少一半。据统计，在我国，从日 渐普及 的电动自 行车用蓄电池组到航天用蓄电 池组， 都不同 程度的存在着因充电不当， 蓄电 池组的 使用寿命达不到设计寿命的问 题， 许多蓄电 池的实际使用寿命还不到设计寿命 的一半，造成了很大的浪费。 如何高效、快速、无损地对蓄电池进行科学充电， 一直是蓄电池界关心的问 题， 也是蓄电 池使用和保养中非常重要的内容。 因此， 研究先进的充电技术及充电 装置是 蓄电 池领域重要的课题， 它是涉及电力电 子、自 动测量与自 动控制等技术的高技术课 题。 为了 使蓄电 池能够在较高的充电 速率下达到充满状态，又不严重影响其使用寿 命， 对常用铅酸蓄电池本身的充放电 特性、 荷电 状态以及自 动充电 装置的研究是工作 的重点。 研究发现: 电池的充电 过程对电 池寿命影响最大， 放电 过程的影响较少。 也 就是说， 绝大多数的蓄电 他不是用坏的， 而是“ 充坏” 的。 所以， 充电装置的性能 优劣 对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自 动充电装置的研究 1 .2蓄电 池充电 技术及其装置的发展现状 传统的充电 技术， 由 于技术条 件的限制， 主要采用恒压、 恒流等模式， 这种模式 存在两方面的问题: 充电过程由 人工控制， 对电 池的实际可接受充电电 流值未实施动态跟踪， 未能 遵从电池内部的物理化学规律， 因而充电时间长 ( 少则几个小时， 多则十几个小时) ， 生产效率低， 对于 要求在尽量短的时间内 充足电的 特殊场合， 这种充电 装置无法满足 要求，远不能适应现代生产和生活的需要。 存在严重的过充电 和析气等现象， 直接影响蓄电 池的技术状态和使用寿命。 针对传统充电技术存在的上述问 题， 国内 外众多学者和工程技术人员就缩短充电 时间、 提高充电效率和改进充电 效果进行了大量工作。 日 本的tom o hi kolk e ya等 研究了 多 阶 段 恒流充电 对动力 型阀 控式 铅酸蓄电 池充电 时间和充电效果的影响， 认为采用多 阶段恒流充电能够有效地缩短充电时间， 延长电 池工作寿命。 国内 陈体衔130 1等也提出了 变电 流间 歇快速充电 方法， 结果认为 用多阶段变电 流间 歇快速充电方法可有效缩短充电 时间提高充电电量。 郭亮l 经过实验研究也认为用大起始电 流多阶段恒流充电的模式能够有效地减 少充电时间提高充电电量。 另外也有研究发现， 部分的大电流充电不仅不会减少电池 使用寿命，反而还会延长提高电 池循环过程中的工作性能。 在蓄电池的充电过程中不可避免的会发生由欧姆极化、 浓差极化和电化学极化构 成的极化现象导致充电电 压升高， 充电 效率降低。 为了减小充电过程中产生的极化量， 有效增大充电电量， 提高充电 效率， 研究者对充电波形的变化进行了相应的工作。目 前去极化的方式主要有两种: 一是自 然去极化，即采用中途停止充电间歇的方式， 二 是强制去极化，即采用放电 脉冲的方式，两种方式都能够实现减小极化量的目的。 电池充电， 决定了蓄电 池的 运行状态和工作寿命。 根据充电 过程中电池接受电量 的比 例， 通常 将不良 充电 的 效 果 分 为 过 充 和 欠 充。 w a gn 日lj 以 传 统的 恒压充电 方 式 对 使用于太阳能储系统的电池进行跟踪测试， 结果两年后发现电 池均不能充足电， 存在 欠充问 题。 这表明电 池在不同的 领域必须对充电方式修正才能完全适用。 刘耀庭冈 用不同的充电方法对电 动自 行车铅酸蓄电池的 寿命进行调查， 发现若充 电电压高会引起电池失水率高， 若充电电压过低， 则充电不足， 造成极板的硫酸盐化。 k arlso n 31 为研究合 适的电 池浮充电 压， 依据电池动力学参数建立了 浮充电 压模 式， 发现浮充电压与氢氧气析出过电 位有关。电池若处于欠充状态， 即活性物质不能 全部化学反应，将会导致一部分 p bs仇由于长期不能参与反应，而发生钝化甚至失去 反应能力， 造成电 池工作容量减小。 若充电过程中经常发生过充， 会造成电池大量析 气、 产生大量热量， 还有极板表面活性物质脱落、 板栅腐蚀。 这些都会加速电池老化， 2 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 缩短工作寿命t4 。 n elsonls 翔 故 过表明 充电 模式对电 池寿命的影响曲 线， 他非常形象地解释充电 模式 的重要性: 若电 池在理想状态下循环寿命是 7 00次， 轻微过充的电池寿命则只有6 00 次，严重过充电 池寿命只能达到4 00次， 而充电不足的电池寿命不到2 00次。 保加 利亚著 名 的 铅酸蓄电 池科学家 p av l o v 师 ! 认为:若电 池没有采用 优 化的设计技 术， 则电 池的循环寿命很大程度上取决于电 池的使用条件:即活性物质利用率、 电流 参数、 过充电的时间 及分布等。 从这个意义上说， 以 不正确的方式使用、 甚至滥用电 池， 与电 池制造及设计缺陷而造成电 池较差的循环寿命相比， 同等程度地影响电池使 用寿命。 充电 方式不善的 后果会导致用户大 量地投诉电 池使用不良 情形: 电 池寿命短、 容 量下降快、 电 池无法充电、 甚至发生电 池膨胀事故造成电 池漏液。 充电 模式对电池性 能的影响显而易见， 然而业内并未形成公 认的充电原则以供电池使用方建立适合的充 电 模式来获得最佳的使用寿命。这一方面由 于电 池寿命测试完成需要非常长的时间， 另一方面必须要有足够多的设备与资源才能做大量的数据。 因此研究电 池在不同的充 放电 模式下电池寿命的表现形式， 找出 最佳的充电方式， 探索电 池寿命衰减过程及其 失效机理是现代充电装置的重要研究内 容。 近年来， 电 动车及电动设备等新兴市场的出 现， 迫切要求缩短充电时间， 提高充 电 效率， 传统的铅蓄电 池充电方式已 受到极大的挑战， 快速充电、 脉冲充电已成为蓄 电池充电技术的发展方向。随着人们对蓄电池制造技术及充电技术研究的不断深入， 自 动测量、 自 动控制等相关智能技术的不断发展， 人们提出了智能充电 这一新的充电 装置设计思路。 智能充电是使实际充电电 流动态跟踪电池可接受充电电流的充电技 术。 基于智能充电 技术的充电系统是由充电装置与被充电电池组成闭环系统， 充电装 置根据电 池的状态自 动确定充电工艺参数， 充电电 流自 始至终处于电池的可接受充电 电流曲线附近， 使电 池几乎在无气体析出的状态下充电， 做到既节约用电， 又对电池 无损害。 目 前研究智能充电的进展仅限于对电 池进行数学模拟电池内部反应速率、 电流密 度、 孔隙 率、 酸浓 度等电 化学 参数， 期望 能 够测 试电 池的 荷电 态 门 。 a l l l l enta 卜 d eu ls 通过测试电 池循环过程中电解液密度变化斜率及放电过程中的变化， 计算出电 池的老 化系 数， 得到电 池的 荷电 态。 v i nodl g 用 计 时电 位法 推导出 未补偿电 阻 值r o ， ro与电 池荷电态几乎是线性关系，可计算出电池的 荷电 态。 电 池的充电 态不能简单使用内阻及电 压的测试来了解， 因此智能充电 往往要结合 电 池健康状态监测技 术和充电 控制技术， 例如d 尸/ dtz 、 犷 1 山、 t / 夕等方法控 制玉 1 01 。 c athenllo ll 1 建 立了电 池恒流充电曲 线 数 学 模型， 得到了 很精 确的 拟合， 认为充电 3 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自 动充电装置的研究 过程中气体析出的过程是动力学控制， 而不是正常的那种电 极表面气体析出过程， 建 立了气体析出电流数学方程。 必须说明， 将智能 侦测技术应用于实际的 案例并不多。 研究电 池在不同 荷电 态下 充 放电 数 学 模型 并 成 功 应 用的 是 p as co ellz ， 他 成 功 地建 立了 多 用 途的 v r l a 电 池 模型 ， 可以 仿真任意电池在任意条件下如放电率、 环境温度、 终止电压、 充电率、 起始充电 状态的 数学 模型， 可以 很精确地 反映电 池的 充、 放电 行为。 a l z i eu 1 3 等人 设 计出 智 能充电管理系统， 可以 监控电 池的荷电态、 充电 量ah、 放电量ah、电 池老化系数等。 l 3课题研究的主要内 容 目 前市场上使用的 所谓智能 充电 器， 并不是严格意义上的阶段式充电 器， 据相关 部门 统计资料显示， 市场上 85%以上的充电 器存在严重的质量隐患。这些充电器往 往充电电 流过小，充电电压不稳定，充电时间 过长，导致蓄电 池内部出 现极化现象， 硫化结晶。 致使充电 容量达不到要求， 大大降低了 蓄电 池的正常使用寿命。 因 此， 研 制真正意义的智能充电 装置具有重要的实用价值， 对于提高 充电 效率、 延长电 池寿命， 节约能源及减小环境污染具有重要的意义。 因 此， 受南京某自 动化设备 有限公司委托， 本毕业论文就研制新型智能蓄电 池充电装置开展相关研究工作，主要内 容为: (l ) 应用现代电 力电 子技术、自 动测量技术及自 动控制技术，探索铅酸蓄电 池充 电 过程的多目 标优化问 题， 力求形成高效、 快速、 无损的铅酸蓄电 池优化充电 思想和 技术方案. (2 ) 应用间歇脉冲快速充电 原理，以高频开关电 源技术为基础，采用自 动检测和 自 动控制技术调节充电 装置的脉冲输出比 例， 实现电 池的高效快速充电， 并实现可控 去极化功能. (3)通过 仿真实 验， 研 究采用 参数自 调整f uz zy 一 id技术， 实 时 检测电 池充电 情况， 自 动调整充电参数，实现最佳控制的技术可行性。 本文介绍了基于 t ms 320 l f 2 4 07 数字信号处理器系统及模糊控制结合传统p id 的f uz z y . p id控制方 式的 蓄电 池自 动充电 装置的 数字化控制 技术， 详细介 绍了 充电 装 置各部分的硬件结构及软件实现。具体工作包括以下儿个方面: (l ) 在对蓄电池快速充电原理和目 前各种充电 方法研究的基础上，提出了 二阶段 充电 模式， 设定蓄电 池的 快速充电门限值， 采集蓄电 池的充电 参数， 判断 是采用间 歇 脉冲快速充电方法，还是采用定电压浮充充电 法; (2 ) 为了 验证本装置所采用的间歇脉冲快速充电方法的优越性， 作了 三阶段恒流 充电、变电流充电、 变电流间歇充电 和具有去极化放电的变电流间歇充电实验; (3 、 对蓄电 池快速充电 的控制技术进行了 探讨， 在设计中， 采用了 具有时间控制、 电池电压负增量控制和电池温度控制功能的综合控制方法; 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 (4 ) 进行了 系统的 硬件设计， 包括主电路和控制电路的设计:主电路采用高 频开 关电源技术， 包括三相整流滤波电路、d c 心c高频全桥变换电路和放电去极化电 路 等:控制系统以t ms 3 20lf2 4 07芯片为核心， 设计了d s p 最小系统模块、功率开关 的驱动保护模块、信息采集监测系统模块等; 侈 ) 通过f u z z 梦 p id 控制器的 仿真设计， 分析了 模糊控制结合常规p id 设计 控制 器的具体设计方法，建立了 对象模型，给出了利用m atlab中si muh nk工具箱完成充 电 装置模糊控制器的仿真设计; (6)在t m s 32 o c z 对 c z 赵/c sx编译器环 境下， 进行了 系 统的软件设 计， 包括主 程 序、实时 时钟中 断服务程序、 去极化子程序和f u z z y 一 p id运算子程序等程序的设计。 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自动充电装置的研究 2充电 装置的方案设计 2. 1蓄电 池的充放电原理 蓄电 池是一 种能源变换器。 充电 时 将电 能转变成化学能储 存起来， 放电时将化学 能转变为电能。充放电都是化学反应，反应式为: 儿 0 2 + 纽2 5 0 ; + 巧 - 遨 曳 净 2 外 5 04+ z h z o(2 注 1 ) 玛 02十 z h z s o 4 + 外 哈 迈 逸 一 开 b s o4+ z h z o(2 . 1 .2 ) 充电 过程可分为三个阶段: 电 池的有效充电阶段，即电 池正负极的充电反应; 水的 分 解同充电 反应同时进行; 水的分解反应为主， 析出 氧气和氢气。 当电池充 电电 压达到 2 3 v / c e n时，电 池的正极较大量的氧气开始析出。此时，与负极的硫酸 铅还原为p b 的反应同时， 从正极扩散过来的 氧气同p b 生成氧化铅， 氧化铅再同硫酸 反应生成硫酸铅和水。 在蓄电 池的充电过程中会产生电极极化， 所谓电极极化是外电流通过电极时， 电 极电 势偏离平衡值的现象，通常分为三类: 浓差极化: 充电过程中，由于化学反应在极板的孔隙中生成硫酸， 使极板附近 的电 解液相对密度较其它地方略高一些， 这种由电解液浓度差异而引起的电极电位的 变化， 就是浓差极化。充电停止后，由 于分子的扩散，浓差极化会逐渐消失。 电 化学极化: 充电时， 当 极板表面的活性物质大部分转变为二氧化铅和铅后( 此 时单格电 池电 压约为2. 4 v ) ， 如果再继续充电，则水开始分解， 并在负 极板上逸出 氢 气， 而氢离子在负极板上与电子的结合较为缓慢， 使负极板附近积存有多余的氢离子， 造成负极板电位降低; 同时正极板逐渐被氧离子包围形成过氧化电极， 使正极板电位 升高，这就是电化学极化。随着充电进行和充电电流的增加，电化学极化更加显著。 欧姆极化: 蓄电 池各导电部分 ( 电 解液、电极材料以及导电材料) 均有一定的 电阻，当电流通过时会产生欧姆压降，充电停止后即会自 行消失。 极化是阻碍蓄电池充电过程中电 化学反应正常进行的主要因素， 也影响着充电 接 受能力。 充电电流愈大， 极化现象愈严重， 它是大电 流充电难以 实现的主要原因， 也 是长期以 来人们用小电流进行常规充电的原因。 消除极化是大电流快速充电技术的关 键所在。 2. 2蓄电 池的充电方法 2 :2 常规充电方法 1 . 恒流充电 恒流充电是指蓄电 池充电时， 采用分段恒流的方法进行充电， 电流是通过调整充 电 装置达到的。该方法的主要特点是有较大的适应性，可任意选择和调整充电电流. 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 所以 可对各种不同情况及状态的蓄电 池充电， 特别适用于小电 流长时间的充电模式。 对由多数电池串联的电 池组充电， 有利于容量恢复较慢的蓄电 池的充电。 该方式的不足是: 开始阶段充电电 流过小， 在后期充电电 流又过大， 整个过程时 间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过 65%，充电时间均在 1 5h以上。目 前国 外己 很少使用此方法. 2 恒压充电 恒压充电是对电 池以 某一恒定电 压进行充电， 并控制自 动充电初期电流的充电方 式。它包括浮充充电及涓流充电。此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。 因此充电初期电流很大， 随着充电进行，电流逐渐减小， 在充电终期只有很小的电流 通过，这样在充电过程中就不必调整电 流，如图2 2 . 1 。 该方法较简单， 因为充电电流自 动减小， 所以充电过程中析气量小， 充电时间短， 能 耗低， 充电效率可达8 0 %，如充电电压选择得当，可在sh内 完成充电。 血垅 1 充电电压 图2 .2 . 1恒压充电法曲线 其缺点是: 在充电 初期， 如果蓄电池放电深度过深， 充电电流很大， 不仅危及充电装置的 安全，电池也可能因过流而受到损伤; 若充电电 压选择过低， 后期充电电流又过小， 充电时间过长， 不适宜串联数量 多的电池组充电; 蓄电 池端电 压的变化很难补偿， 充电 过程中 对落后电 池的完全充电 也很难完 成。 恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。 2. 2. 2快速充电方法 为了能最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时 间， 同时保证蓄电 池正负极板的极化现象尽量地少或轻， 提高蓄电池使用效率， 快速 充电 技术近年来得到了 迅速发展。 其设 计原则是使充电曲 线尽可能地逼近最佳充电曲 线。 1 .阶段充电 法 阶段充电法与多段恒流充电法类似，它综合了恒压充电和恒流充电两种充电方 法。 在充电的 初期采用较大的充电电流， 经过一段时间后改用较小的电流， 至充电 后 7 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 期改用更小的电流。 这种充电方法有效地防止了恒压充电和恒流充电中存在的主要问 题，实现相对简单，是目前应用最为广泛的充电方法。该方法有两种变体: 1) 二阶段充电法: 采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法， 如图2. 2. 2 所示。 首先， 以 恒电流充电 至预定的电压值， 然后， 改为恒电 压完成剩余的充电. 一般两阶 段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 1 1 i /a 充电电流一级恒流 / 二级.巨压 / 。 卜 恒 流 一 叶 匪 三级恒流 / t 0 图2. 2 .2二阶段充电法曲 线 2) 三级充电法:其原理如图2 2.3 所示， 图2 2 3三级充电 法曲 线 一级恒流和三级恒流都是以 恒定的电流 给蓄电池充电， 二级恒压是以恒定的电压给蓄电池充电。 在二级恒压过程中， 通过蓄 电池的充电电流由一级大电流逐渐过渡到三级小电流。 当电流衰减到预定值时， 由第 二阶段转换到第三阶段。 这种方法可以将出 气量减到最少， 但作为一种快速充电 方法 使用，受到一定的限制。 这种充电方法结合了恒压充电和恒流充电的优点， 既避免了恒压充电在起始阶段 给蓄电 池造成的瞬间大电流冲击，又避免了大电 流恒流充电可能带来的过充电现象， 而且第三级小电流充电可以保证在不损坏蓄电池的基础上能够最大程度地给蓄电池 充满电。 这种方法比 较有效地模拟了 铅酸蓄电 池的最佳充电曲线， 起到了良 好的充电 效果。 通常要参照维护使用说明书中有关的规定， 确定充电电流的大小、 时间以及转 换电流的时刻，作为充电终止的判断依据。 2 .脉冲式充电法 图2 2 鸿脉冲充电 法曲线 如图2 么4 所示为典型的脉冲充电 法电 流波形。 首先用正脉冲( 充电 脉冲) 电 流对 蓄电池充电，利用负脉冲对电池去极化，正脉冲结束后先停充短时间，也叫前停充， 接着再放电或反充电， 使蓄电 池反向 通过一个较大的脉冲电流， 设置一定脉冲宽度来 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装里的研究 调节脉冲的平均充电电流。 负 脉冲宽度越大， 平均充电电 流越低。 经负脉冲后再停充， 此谓后停充，如此周期循环。 充电 脉冲使蓄电 池充满电 量， 而间 歇期和负脉冲( 放电 脉冲 ) 使蓄电 池经化学反应 产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉， 消除浓差极化和欧姆极化， 从而减轻 了 蓄电 池的内压， 使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行， 蓄电池可以吸收更多的 电 量。 间歇脉冲使蓄电 池有较充分的反应时间， 减少了 析气量， 提高了蓄电 池的充电 电 流接受率。 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受 率，从而打破了 蓄电池指数充电 接受曲 线的限制， 这也是蓄电 池充电理论的新发展。 3 .变电 流间歇/ 定电压充电法 解释一下: 蓄电 池的充电电流不用电流的绝对值表示， 而是用电池的额定容量c 和充电时间t 的比 来表示的， 称为蓄电池的充电速率或充电 倍率。 例如一个额定容量 c为10o an 的电池，充电2 个小时后，电池完全充满，则它的充电电流为: 1 = c 了 2 = 0 . 5 c(a )(2.2.1) 即它的充电速率为住 s c 、 若用10小时就达到充满状态，则它的充电电 流为: 】 = c / 1 0 = ol c ( a )(22 2 ) 即它的充电速率为o i c 。 1 / 吐32.1 5 01 0 01 5 02 00 t 加i n 6 . 生 t / 吐n o5 01 0 01 5 02 0 d 图2 念5变电 流间歇充电法曲 线 图2 念5 是变电 流间歇充电 法的充电电流和充电电压随时间变化的典型曲线:先 选择起始充电电流( 一般取值较大， 如i c)充电，电 池电 压逐渐上升。 当 充电电压达到转换电压时停止充电 ( 通常取2. 5 0v/c el l) 。 在停充时电池电压急剧 下降， 保持一段停充时间后， 按一定方式减小充电电流继续充电。 当电池充电电 压再 次 达到转换电 压时 又停止充电 ， 如 此反复 数次( 一般为3 礴次 ) 就 可以 将充电电 流 减小 到o i c 。 最后用。 i c电 流充电 至电压达到转换电 压值时， 结束充电 过程。 实验表明: 用 0 . i c电流作为结束充电的最后充电电流值是合适的，再减小充电电流对放电 容量 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自动充电装置的研究 贡献甚微，甚至充电电压达不到转换电压值。 通过蓄电池的最佳充电曲 线， 可以 理解变电 流的必要性。 最佳充电曲 线表明: 蓄 电 池的充电电流在逐渐缩小的 情况下会使充电效果得到最佳， 所以变电流间歇充电 在 刚开始使用大电 流充电一段时间后停充， 然后再次充电时， 采用减小一级的恒定电 流 进行恒充。 因为蓄电池的容量在使用大电流恒充后已得到很大的补充， 电池本身的接 受能力己 有了一定的限制， 再次充电时使用同 样的电流恒充， 充电效率会下降，同时 会使电池的温度急剧上升，影响电池的使用寿命。 变电流间歇充电 法是在限定充电电 压条件下，采用变电 流间歇方式加大充电电 流，达到加速充电 过程、缩短充电时间、充进更多电量的目的。它有3 个要点: 限定充电电压，保证加大充电电流不损害电 池; 用间歇分段充电方式加大充电电流值; 为充进尽可能多电量应采用逐次减少充电电流值的变电流模式。 理论上为了快充、 多充电 量， 就要加大充电电流. 尽管蓄电 池具有阴极吸收功能， 正极产生氧气可以 通过隔膜和气室被负极吸收， 但是阴极吸收速度有限。 加大充电电 流的同时，会造成蓄电池正极出氧速度过快，吸收速度跟不上，必然引起电池失水。 间歇停充可以避免这种现象， 使蓄电 池经化学反应产生的氧气有时间被重新化合吸收 掉， 减轻了 蓄电池的内压， 使下一轮的恒流充电能够更加顺利进行， 使蓄电池可以吸 收更多的电量。 4 变电压间歇充电法 1 / a u / v / i t / 瓜 i n 图2 2 ，6变电 压间 歇充电 法曲 线 如图2. 2. 6 所示， 变电 压间歇充电 法是 把变流间 歇充电中的 变流改为变压， 通过 间歇停充， 使蓄电 池化学反应产生的氧气有时间被重新化合吸收掉， 从而减轻蓄电池 的内 压， 使蓄电 池可以吸收更多的电量。 试验证明: 这种方法能够有效地提高充电 速度和效率， 并且变压充电 更符合蓄电 池的最佳充电曲线，从工程角度讲，恒压控制更容易实现。 比 较图2. 2. 5 、 2. 2. 6 ，图2. 2. 6 更加符合最佳充电的充电曲 线。 在每个恒压充电 阶 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 段， 由 于是恒压充电， 充电电流自 然按照指数规律下降。 符合电池电 流可接受率随充 电的进行逐渐下降的特点。 5 .定化学反应充电法 定化学反应充电 法是近几年提出的充电 方式。 这种方式使充电设备的闭环跟踪系 统， 动态跟踪蓄电池可接受充电电 流， 使充电电 流始终与可接受充电电 流保持良好的 匹配关系，充电过程始终在最佳状态下进行，如图2. 2. 70 该方式比常规充电 模式可节约电能30% 5 0 %， 比 普通蓄电 池充电时间可缩短4 、 6 倍， 密封免维护蓄电池， 初充电不大于15 h ， 补充充电为3 5h ， 应急充电时间为 lh 左右， 温升不大于8 ， 失水量为零， 大大提高了充电效率， 也降 低了 充电 过程中的 温升和腐蚀。但其造价较高且充电不够彻底. 1 八 介 蓄电池可接受的 充电电流 厂尸 充电电 流自 动 跟踪 可接 受的 充电 电 流 厂 一一- 一 ( t / h 图2. 2 7定 化学反 应充电 法曲线 6 .均衡充电 均衡充电是以 小电流(1 /2 o c安培 ) 进行1 弓h 的过充电 过程。 主 要用来消除一组浮 充运行的蓄电池在同样运行条件下， 由于某种原因造成的全组电池不均衡而形成的差 别，以达到全组电池的均衡。 此方法一般不能频繁使用， 但当蓄电池在使用过程中出 现下列情况之一时，必须进行均衡充电: 蓄电 池组长时间大电 流放电， 或长时间担负直流负荷后没能及时充电。 蓄电 池个别单格电 压、电 解液密度偏低， 全组电池产生差别时。 没有按规定周期实施充、放电的蓄电 池。 2. 3蓄电 池的充电控制技术 电池一旦充满电， 需要及时停止充电， 否则电池的温度将迅速上升， 加速蓄电池 板栅腐蚀速度及电 解液的分解， 缩短电 池寿命、 降低电池容量。 为此需要采用控制技 术自 动终止充电。 控制方法有如下几 种: 1 .定时控制。以定时系统来预定充电时间，当时间达到，充电器停止或改为涓 流充电. 其优点是简单。 缺点是:由 于一 般情况下无法预知电 池的容量， 实际的充电 时间难以 确定， 导致过充电或欠充电。 因此， 该控制方法仅适用于充电 速率小于0 3 c 的情况。 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自动充电装置的研究 2 .根据电池温度控制。根据设定的电池温度值控制充电的停止。方法有: 1) 最高 温度( t 而 x ) 控制法:充电 过程中，当电 池温度达到 40时， 停止快速充 电，自动转入涓流充电方式。 2) 温升 ( 盯/ 2) 环境温度较高时，电池充足电后，电池电压的负增量不明显，从而影响控制 精度. 4 .电池电压二阶导数控制法。当电池充足电时，其电压的二阶导数将达到某一 个确定的值， 可据此结束充电。 这种控制方法相对更加安全可靠， 是充电 控制技术的 方向。 以上各种控制方式各有优缺点， 由于存在电 池个体的差异和个别的特殊电池， 单 纯采用一种方法， 则很难保证电池较好的充电。 综合应用上述控制方法实现充电控制 是现代智能充电 装置的趋势。 2. 4 本充电 装置的设计方案 2. 4. 1装置的 基本功能及技术要求 1 .基本功能 1) 具有根据电 池电 压、电流和温度的门限 值，自 动改变充电方式的功能。充电 装置启动工作后， 实时检测电池电压、 电流和温度， 若电 流和温度低于规定的门限值， 充电 装置进行定电压浮充充电。 当电 流达到限定值， 充电装置采用快速充电方法给电 池充电。 2) 具有实时 监测并显示电 池充电 状态的功能。 2 .技术要求 1) 交流电网 输入波形为正弦波，输入电压为三相5 0 h z ， 3 80v a c 士 1 0 %;电网频 率波动范围不超过额定值的 班%; 2) 输出电压: 小3 0 0 v直流输出; 输出电压精度: 士 5 %;输出电流: 卜5 0 a连续 可调;输出电流精度: 士 5 % ; 3) 效率:80 %;纹波系数:幻%; 南京理工大学硕士学位论文 蓄电池自 动充电装置的研究 4 )环境温度:一 10 砖50;空气相对湿度不超过 85% ( 相当于环境温度为 2 肚5 ) 。 2. 4. 2充电 装置的总体方案 本充电 装置的结构原理框图如图2. 4 1 所示。 整个装置由充电主电路、蓄电 池参 数及充电 状态信息采集系统、充电 隔离驱动及保护控制系统和基于d sp 的微处理器 控制系统组成。 蓄电池组电源输入 蓄电池参数、 充电 状 态信息采集系统 充电隔离驱动、 保护控制系统 d s p 控制 蓄电池参数、充电状态信息显示 图2. 4 1 充电 装置设计的结构框图 充电 装置的主电 路是对蓄电 池组直接充电的 环节， 它由 整流电 路(ac 一 d c)、 滤波 电 路、 高 频 直流 变换器 (dc 一 a c 一 d c)和放电 去极 化电 路组 成。 d c 一 a c 一 d c 变 换 器采 用 目 前比较先进的移相控制零电压开关全桥变换电路。 蓄电 池参数及充电 状态信息采集系统、 充电隔离驱动及保护控制系统和基于d s p 的微处理器控制单元构成了充电装置的控制系统，它是一个以数字信号处理器 t m s320l f2407 芯片为核心的实时监测、 控制系统。 其工作原理为: 数据采集环节对 蓄电池端电 压、电池温度、充电电流等参数进行实时数据采集，采集的数据提供给 d s p单元， d s p根据预定的算法对数据进行分析和计算，得出相应的控制数据，送 到充电电 源的移相控制端， 调节移相角， 从而控制充电装置主电路的输出电压、 电 流， 完成对蓄电池的高效、快速、无损的智能充电。 2. 4. 3采用的充电 方法 系统所要求的快速充电 方法， 一方面要加快电 池的化学反应速度( 提高充电电压 或电 流等 ) ， 使充电 速 度得到最大的 提高;另一 方面又 要保证负极的 吸收能 力， 使负 极能够跟上正极氧气产生的速度，同时要尽可能的消除电池的极化现象。 在综合了各种充电方法优缺点的基础上， 提出本装置采用波浪式间歇正负零脉冲 充电 法， 如图2. 4. 2 所示.图中正脉冲用于充电，负脉冲用于放电去极化。 在充电 过程中，暂时停止充电 ( 图中两脉冲的间隙部分) ，电阻欧姆极化可立即 消失，浓差极化和电化学极化也逐渐消失，充电副反应也随之停止。 在暂时停充后， l 3 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自动充电装置的研究 图2 4.2 波浪式间歇正负零脉冲充电 法曲 线 再为蓄电池提供一条放电 通道让其反向 放电 ( 图中的负脉冲部分) ，则极化现象将更 迅速消失， 充电副反应也将减少。 如此蓄电池就可接受较大充电电流， 充电速度将大 大加快。电流以脉冲方式输出， 还可以加快活性物质的反应速度， 有效地防止电解液 硫化结晶， 并且可以有效的击碎已 经出 现的结晶颗粒， 使充电曲 线在总体上逼近马斯 提出的蓄电池可接受充电电流曲 线， 并且在整个快速充电时期内， 采取适时去极化措 施， 避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问 题， 从而大大缩短了充 电时间，提高了充电效率。 2. 4. 4采用的充电 控制技术 鉴于定时控制、 温度控制和电池电压负增量控制的局限性， 本设计采用综合上述 三种控制技术的综合控制法。 近年来， 国内外研制的快速充电器均采用这种综合控制 法。 本装置中的控制实现:充电时间、 放电时间、间歇时间都采用时间控制，当实时 时钟定时时间到， 即采集信息， 判断采用波浪式间歇正负零脉冲快速充电， 还是采用 定电压浮充充电。 如果温度超过设定的门限值，则停止充电， 否则继续进行， 充电过 程中检测到电压出现负增量，表示已经充满，则可结束充电. 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自 动充电装置的研究 3充电装置的硬件设计 3. 1硬件总体结构设计 充电 装置硬件总体结构设计框图如图3 . 1 . 1 所示，由主电路和控制回路两部分组 成: 虚线框外部分为主电路， 虚线框内 部分为控制回路。 其结构原理的核心实质上是 一高频开关电源， 主电路的功能是将输入的三相交流电转变成蓄电池负载需要的直流 电; 控制回路的功能是实现高频开关电 源各种性能要求的核心。 电 路输入电 压为三相 38o v /5 o hz 的交流电压。 3. 2高频开关电 源简介 如图3 1 . 1 所示，高频开关电源由高频逆变器、高频变压器、输出整流滤波电路 以 及控制高频逆变器工作的驱动控制电 路组成。 其基本工作原理是: 把经过交流输入 整流滤波电路后得到的直流电压， 通过igb t 全桥高频逆变器将直流电压逆变为高频 交流电 压， 然后经高频变压器隔离变压， 输出 所需的高频交流电压， 最后经过输出整 流滤波电路，得到所需的高品质、高质量的直流电压. 高频开关电源的主要优点在“ 高频” 上。 通常滤波电感、电容和变压器在电 源装置 的体积和重量中占很大比例。从“ 电路” 和“ 电机学” 的有关知识可知， 提高开关频率可 以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低电 源装置的体积和重量。 以带有铁芯的变压器为例，分析如下:设铁芯中磁通按正弦规律变化， 尹 二 九si n “，则: e : 一 甲 半 一、co s 叫 = 、 co ， ( 3 21 ) 南京理工大学硕士学位论文蓄电池自 动充电装置的研究 其 中 凡一 甲 九二 一 丫 九， 在 正 弦 情 况 下 ， e ， 一 砺 法 所以 一 器 撇二 4 44 低“ ( 3 . 2 2 ) 式中f 为铁芯电 路的电 源频率， w为铁芯电路线圈匝数， 氏 为 铁芯的磁感应强 度，5为铁芯线圈截面积。由式 3 2.2可知:电源频率越高，铁芯截